针对碱性熔渣侵蚀的钢水连续测温传感器材料性能研究

摘要

黑体空腔钢水连续测温传感器因实现了低成本、高精度从而被较广泛地应用于中间包钢水温度连续测量。传感器插入钢水中，由于高温、熔渣侵蚀、热疲劳、热冲击等作用在一段时间内即会损毁。传感器的材料性能决定了其抵抗损毁的能力，即传感器的寿命。而寿命指标是该技术能否获得广泛应用的关键因素之一。
　　目前，钢水连续测温传感器采用Al2O3-C材料。在通常的酸性熔渣(CaO/SiO2＜1)中Al2O3-C质传感器的寿命可达24～40小时。而为提高钢水质量，新的中间包冶金工艺采用了具有吸收钢水夹杂物作用的碱性熔渣。在碱性熔渣(CaO/SiO2＞2)中Al2O3-C质传感器的寿命下降至3.5～9小时。随着碱性熔渣的使用比例持续扩大，研究适用于该条件下的传感器材料成为钢水连续测温传感器研究的突出问题。
　　本文首先分析了碱性熔渣下传感器的损毁原因;针对造成传感器损毁的侵蚀问题，提出了采用新型耐碱性熔渣侵蚀的MgO-C材料，并通过研究材料成分对抗侵蚀性能的影响确定了比较理想的成分;通过优化材料的粒度级配提高了传感器的抗侵蚀性能;通过研究抗氧化添加剂解决了MgO-C材料易氧化的问题;通过热应力分析研究了新材质传感器的抗热冲击性能;最后对新材质传感器的抗侵蚀和抗热冲击性能进行了工业应用实验验证。论文的主要研究内容和创新工作如下:
　　(1)基于截面轮廓分形维数研究了传感器损毁的原因。
　　准确判断传感器的损毁方式是研究适用于碱性熔渣的传感器材料的前提。传感器的主要损毁方式包括侵蚀和剥落，两种方式在实际损毁过程中常常同时发生，从而难以准确判断。本文在分析侵蚀和剥落造成的损毁形貌差异基础上，提出了基于截面轮廓分形特征的传感器损毁诊断方法。该方法以盒维数法计算出传感器轮廓线分形维数，采用Chi2算法对分形维数进行了离散化，从而确定了损毁类型准确分类的维数阈值。采用该方法，判断出在碱性熔渣条件下造成Al2O3-C质传感器损毁的主要原因是熔渣侵蚀。
　　(2)提出了采用MgO-C这种新型材质作为传感器材料，并研究了材料成分对传感器抗碱性熔渣侵蚀性能的影响。
　　为避免传感器采用Al2O3-C材料导致骨料易溶解于碱性熔渣的问题，本文首次提出采用以MgO为主的MgO-C材质作为传感器材料。在该材料中，一方面利用MgO难溶于碱性熔渣的特性，减缓了侵蚀过程中的骨料溶解;另一方面利用增加熔渣粘度和尖晶石反应的体积膨胀效应，抑制了侵蚀过程中的熔渣渗透，并取得了良好的效果。
　　(3)研究了材料的骨料临界粒度对传感器抗侵蚀性能的影响，优化了MgO-C材料的粒度级配，进一步提高抗侵蚀性能。
　　首先研究了骨料临界粒度对抗侵蚀性能的影响。试验比较骨料临界粒度分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm的MgO-C质传感器的侵蚀速率和寿命，从熔渣渗透和骨料颗粒溶解两方面分析了材料的骨料临界粒度对传感器抗侵蚀性能的影响。分析的结果表明，骨料颗粒越大，骨料溶解和熔渣渗透速率越慢，传感器的抗侵蚀性能越强。
　　在上述研究的粒度级配边界条件基础上，提出了一种针对MgO-C传感器材料的粒度级配方法，基于紧密堆积理论建立了材料的粒度级配优化模型，通过模型计算得到了粒度级配方案。按该方案进行配料，获得的泥料堆积密度和振实密度分别达到1.46g/cm3和1.70g/cm3，均高于经验配比泥料。显微观察表明，按照该优化级配方案制得的MgO-C材料形成了细颗粒充分填充粗颗粒之间的致密结构，有利于抑制熔渣渗透，从而提高了材料的抗侵蚀性能。
　　(4)基于有效扩散系数研究了MgO-C材料的抗氧化添加剂。
　　针对MgO-C材料易氧化引起的传感器抗侵蚀性能降低问题，本文在收缩核模型基础上提出了“抗氧化添加剂消耗系数”（其物理意义是与单位量的氧气反应的抗氧化添加剂的量），建立了含有添加剂的含碳耐火材料氧化过程动力学模型，基于该模型计算出含有Mg、Al、Si、SiC和B4C添加剂的含碳材料内气体的有效扩散系数，确定了复合抗氧化添加剂的成分。工业试验表明，加入该复合抗氧化添加剂的MgO-C材料的氧化速率比加入原添加剂时降低了48％。
　　(5)基于热应力有限元分析研究了MgO-C质传感器的抗热冲击性能。
　　根据钢水连续测温对传感器成本、抗侵蚀性能和响应速率的实际需要，分别设计了整体采用MgO-C材料的普通型、渣线部位采用ZrO2-C材料的抗侵蚀型、测温段采用高C含量材质的快速响应型这三种不同结构的传感器。针对不同结构传感器在插入钢水后由于传感器温度剧变引起的热冲击损毁问题，建立了MgO-C质传感器热应力有限元模型，并对热冲击过程中传感器壁面热应力进行了分析。结果表明，普通型和抗侵蚀型传感器的最大热应力分别为3.2MPa和3.4MPa，小于材料的最大许用应力，满足实际抗热冲击性能需要;快速响应型传感器的最大热应力为6.0MPa，超过了材料的最大许用应力，不能满足际抗热冲击性能需要。
　　(6)分析了MgO-C质传感器工业现场应用试验效果。
　　工业应用试验表明，MgO-C质传感器与Al2O3-C质传感器相比，在CaO/SiO2为1.18～4.51的中性及碱性熔渣中，侵蚀速率降低了23～73％，寿命提高了33～176％，达到8.5～32小时，且未发生任何热冲击损毁。
　　研究结果表明，本文提出的由MgO-C材料制成的钢水连续测温传感器很好地满足了碱性熔渣条件，对于推动黑体空腔连续测温技术在冶金工业中的广泛应用具有实际意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 钢水连续测温传感器应用现状

1．2．1 测温传感器的结构及性能要求

1．2．2 测温传感器的应用现状

1．2．3 测温传感器的损毁分类

1．3 钢水连续测温传感器材料的研究现状

1．3．1 无机非金属材料在钢水连续测温系统中的应用

1．3．2 耐火材料传感器的抗侵蚀性能研究

1．4 主要研究内容及创新点

1．4．1 本论文研究内容

1．4．2 本文主要创新点

第二章 Al2O3-C质传感器渣线损毁诊断

2．1 渣线损毁的机理分析

2．1．1 侵蚀与剥落的损毁机理差异

2．1．2 侵蚀与剥落的损毁形貌差异

2．2 传感器截面轮廓线的分形特征

2．3 截面轮廓线分形维数测定

2．3．1 轮廓线提取及基准圆定位

2．3．2 轮廓线在基准圆上展开

2．3．3 盒计数法测量轮廓线分形维度

2．3．4 造成传感器轮廓线分形维度差异的原因

2．4 基于传感器截面分形维度的损毁原因诊断

2．4．1 基于Chi2算法的传感器分形维度离散化

2．4．2 实际应用效果分析

2．5 本章小结

第三章 材料成分对MgO-C质传感器抗侵蚀性能的影响

3．1 传感器的侵蚀机理分析

3．1．1 熔渣向材料内部的渗透

3．1．2 骨料颗粒的溶解蚀损

3．1．3 鳞片石墨的氧化

3．2 Al2O3-C质传感器的侵蚀过程分析

3．3 MgO-C质传感器的侵蚀过程分析

3．4 MgO-C材料成分对抗侵蚀性能影响的实验研究

3．5 本章小结

第四章 改善抗侵蚀性能的粒度级配优化研究

4．1 临界粒度对材料性能影响的实验研究

4．1．1 实验原料及性能检测方法

4．1．2 烧成材料的显微结构分析

4．1．3 临界粒度对材料性能的影响

4．1．4 临界粒度对抗侵蚀性能影响的工业现场实验

4．2 基于紧密堆积理论的粒度级配设计

4．2．1 粒度级配的优化数学模型建立

4．2．2 优化结果

4．2．2 实际应用效果

4．3 本章小结

第五章 提高抗氧化性能的材料添加剂研究

5．1 含碳材料的氧化动力学模型

5．1．1 模型假设

5．1．2 氧化动力学模型

5．1．3 不含添加剂时的有效扩散系数计算模型

5．1．4 含有添加剂时的有效扩散系数计算模型

5．1．5 模型验证

5．2 抗氧化添加剂对氧化动力学参数影响的研究

5．2．1 实验原料与试样制备

5．2．2 氧化实验装置

5．2．3 不含添加剂时的有效扩散系数

5．2．4 添加剂对有效扩散系数的影响

5．3 基于对效扩散系数影响分析的抗氧化添加剂设计

5．3．1 抗氧化添加剂对有效扩散系数影响分析

5．3．2 抗氧化添加剂设计

5．4 本章小结

第六章 基于热应力场分析的传感器设计及实际应用效果

6．1 传感器的热冲击损毁原因分析

6．2 热应力场的有限元分析方法

6．2．1 传热分析的理论基础

6．2．2 传感器的传热微分方程

6．2．3 定解条件确定

6．2．4 热应力场计算方法

6．3 传感器有限元模型的建立与验证

6．3．1 传感器材料的物理性质

6．3．2 传热分析的初始条件与边界条件

6．3．3 模型验证

6．4 基于热应力场分析的传感器设计

6．4．1 普通MgO-C质传感器

6．4．2 抗侵蚀型传感器

6．4．3 快速响应型传感器

6．5 新型传感器的实际应用效果

6．6 本章小结

第七章 结论

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士期间的主要工作

作者简介